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浙大科學家生物制氫獲突破
來源:氫分子產業網 發表時間:2016-1-19 22:47:44 閱讀:4630

    浙江大學的科學家通過生物礦化手段,用二氧化硅包裹綠藻,改造綠藻的生物性能,讓綠藻在自然條件下持續高效產生氫氣,每升綠藻可以產生17毫升氫氣,持續產生氫氣最長時間可達72小時。研究人員認為,這是生物光合產氫領域取得的一次重要突破。

    目前,由于化石燃料儲量日益減少,開發新能源迫在眉睫。專家們普遍認為,氫能源作為綠色環保的零碳能源,將成為新能源舞臺上的希望之星。但目前,氫能源幾乎完全依靠化石燃料制取,成本非常高。相比當前工業中普遍從石油中制取氫,利用綠藻產氫更加環保且可持續。如何大規模、低成本地獲取這種清潔能源,是制約氫能發展的最大問題。
  
  浙江大學的研究人員們通過跨學科合作,給綠藻細胞披上一層二氧化硅“外衣”,使其能在自然條件下持續不斷地利用光合作用,高效產氫,每升綠藻可以產生17毫升氫氣,持續產生氫氣最長時間可達72小時。這是生物光合產氫領域取得的一次重要突破,為化學手段改造光合生物,進而實現光生物產氫,提供了全新的思路。
  
  一般情況下,植物的光合作用產出的是氧氣。30多年前,科學家就發現綠藻細胞中存在著一種氫酶。當它被激活后,綠藻進行光合作用時就能產生氫氣。
  
  “氫酶只能在缺氧環境下被激活,一旦遇到氧氣,氫酶就迅速失去活性。正常情況下,因為光合作用產出氧氣,氫酶總是處在失活狀態。”課題組負責人徐旭榮解釋說,“實際上,綠藻產氫更像是其在缺氧等‘脅迫’狀況下產生的一種應激反應。”
  
  徐旭榮的合作者之一,浙大化學系唐睿康教授有一項絕活——能通過生物礦化手段,給細胞“穿”上一層外衣,在不改變生物原本屬性的情況下,賦予細胞新的性能。
  
  實驗一開始并不順利:單個綠藻細胞被包裹上二氧化硅后,仍然只是進行正常的光合作用,不能產出氫氣。之后的某一天,培養綠藻的試管上方,探針既探測到了氧氣,也意外地探測到了氫氣。“我們發現,這是因為包裹著二氧化硅的綠藻逐漸粘合到了一起,形成了團聚體。”熊威說。直徑100微米的綠藻團中,包含了約5000個綠藻。在正常光照條件下,綠藻團開始產生氫氣,目前持續產氫的時間可達72小時。
  
  這個偶然的發現使他們意識到,當礦化后的綠藻細胞層層疊疊形成復合體,那些在里層的綠藻細胞就會達到氧氣的產生和消耗的動態平衡:在一個與外界隔絕的環境中,綠藻光合作用產生的氧氣剛好被自身的呼吸作用消耗掉,使其既能存活,又能獲得一個缺氧環境,這樣氫酶就被激活了。“因此我們既能探測到外層綠藻產生的氧氣,也能探測到內層綠藻產生的氫氣。”熊威說,“這同時也解釋了目前綠藻團聚體為何無法更久地持續產氫,隨著內層綠藻自身繼續生長,團聚體坍塌,氫酶再度失活。”
  
  “藻類的種類多、數量大,具有極大的產氫潛力。”唐睿康教授表示,生物礦化手段沒有破壞藻類正常的生命過程,在工藝上更具操作性與便捷性,可以為生物能源的制備提供新的策略。
  
  研究團隊抓住這一新發現,連續開展實驗。在位于浙大玉泉校區的實驗室里,熊威向觀眾展示了幾支試管,試管底部沉積著經過礦化的綠藻細胞復合體。加入三氧化鎢粉末后,由于氫氣和氧化物的反應而引起顏色變化,說明試管中產生了氫氣。
  
  目前,研究團隊正在試圖破解綠藻生長失控的難題。“72小時以后,如果‘抱團’的綠藻越來越多,綠藻團就會解散,產氫的過程又會停止。”論文第一作者、浙江大學博士生熊威說,他們正在尋找新方法,能控制綠藻的繁殖,那樣離工業應用又近了一步。
  
  此前科學界研究利用綠藻產氫,比較經典的成果是美國加州大學伯克利分校科學家發展的“兩步法”。他們先讓綠藻進行正常光合作用,積累生物量;然后再通過缺硫培養削弱其光合作用,使產生的少量氧氣被自身的呼吸作用消耗掉,從而激活氫酶。“采用這種方法,氫能從根本上說是來自于起初培養的那些綠藻體內累積的有機物,而在產氫過程中不斷消耗。過一段時間后,就要讓綠藻重新進行正常光合作用,‘喂飽’自己,再繼續產氫。”徐旭榮說。
  
  徐旭榮表示,中國科學家發展的這種新方法,從空間上分離綠藻細胞的產氧和產氫過程,實現了細胞的空間功能分化。不僅在工藝上更具操作性與簡便性,且綠藻產氫持續時間長。
  
  相關論文于10月發表于國際知名學術期刊《德國應用化學》雜志上。

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